1、 现代气候学原理现代气候学原理(1)slBSDGRRUBQAFBF 夜间或冬季夜间或冬季(1)AABquGUuUFUUBqFF大气向宇宙空间逸出的长波辐射大气向宇宙空间逸出的长波辐射大气逆辐射逸出宇宙空间的大气辐射44(1)0(1)ssSssssSssBAFBAF(1)(1)sssssBQAqFBQAF全球多年平均而言，地气系统的辐射全球多年平均而言，地气系统的辐射应保持平衡，应保持平衡，(1)slB SD G RR UB QAFBF(1)AABquG UuUFUUBqFF大气上界的天文辐射大气上界的天文辐射地气系统向宇宙空间的长波放射辐射 能量守恒定律具有不同表现形式：动量守恒、质能量守恒定
2、律具有不同表现形式：动量守恒、质量守恒、热能守恒。量守恒、热能守恒。热量平衡方程描述热量平衡方程描述地气系统内的热能守恒与转换地气系统内的热能守恒与转换关系。关系。辐射能向热能的转换是地气系统中一切气象过程辐射能向热能的转换是地气系统中一切气象过程的基础。的基础。对于地气系统的的能量收支看，包括地球和大气对于地气系统的的能量收支看，包括地球和大气界面上的过量收支，大气本身的能量收支。界面上的过量收支，大气本身的能量收支。热量平衡方程热量平衡方程000()AAAAAssABPL EHCBPL EHBPL EBPBPL ECBHCL rPBCL rPBHLErCC 00()()0ssAvAsAsA
3、sBHLCCCBL ErCCBL ErCB夏季晴天辐射平衡各分量的平均日变化曲线夏季晴天辐射平衡各分量的平均日变化曲线那曲那曲 图图 不同地区夏季晴天辐射平衡平均日变化的比较不同地区夏季晴天辐射平衡平均日变化的比较观测资料表明观测资料表明:辐射平衡正辐射平衡正负值交替时间通常出现在太负值交替时间通常出现在太阳高度角等于阳高度角等于10-15之间。之间。G 辐射平衡有明显的年变化，夏季极大值，冬季辐射平衡有明显的年变化，夏季极大值，冬季极小值；由冬极小值；由冬 到夏，到夏，辐射平衡增加是由于地辐射平衡增加是由于地表吸收辐射的增大超过有效辐射的增大。表吸收辐射的增大超过有效辐射的增大。辐辐射射平平
4、衡衡有有明明显显的的年年变变化化 与北半球相比，南半球（与北半球相比，南半球（104W.m-2)大气辐大气辐射年平均净亏损大于北半球（射年平均净亏损大于北半球（80W.m-2)。全球各纬度带大气辐射平衡均为全球各纬度带大气辐射平衡均为负值负值，其绝对值，其绝对值在在两极最小两极最小，在南北极圈纬度附近达到，在南北极圈纬度附近达到最大最大。经向非对称性经向非对称性绝对值绝对值 3.3 3.3 全球热量平衡全球热量平衡地表面热量平衡的纬圈分布地表面热量平衡的纬圈分布 热量平衡的地理分布热量平衡的地理分布 地表面与大气间的感热输送地表面与大气间的感热输送 洋面与下层水体间的能量交换洋面与下层水体间的
5、能量交换000()AAAAAssABPL EHCBPL EHBPL EBPBPL ECBHCL rPBCL rPBHLErCC 地表面热量平衡各分量之间的关系000()AAAAAssABPL EHCBPL EHBPL EBPBPL ECBHCL rPBCL rPBHLErCC 陆地表面陆地表面净辐射的年盈余可由地表和大气之陆地表面净辐射的年盈余可由地表和大气之间的感热和潜热交换来调整。间的感热和潜热交换来调整。000()AAAAAssABPL EHCBPL EHBPL EBPBPL ECBHCL rPBCL rPBHLErCC 海洋表面海洋表面净辐射的年盈余除由洋面和大气之海洋表面净辐射的年盈
6、余除由洋面和大气之间的感热和潜热交换来调整外，间的感热和潜热交换来调整外，还通过大规还通过大规模的洋流进行能量的水平输送。模的洋流进行能量的水平输送。陆地和海洋的感热输送：陆地和海洋的感热输送：同纬度陆地感热输送大于海同纬度陆地感热输送大于海洋，海洋在各个纬度带上的洋，海洋在各个纬度带上的感热输送均很小，但随纬度感热输送均很小，但随纬度增加略有增加。增加略有增加。无论大陆和海洋，辐射平衡无论大陆和海洋，辐射平衡仅在中纬度地区随纬度减小而仅在中纬度地区随纬度减小而迅速增加，在热带地区辐射平迅速增加，在热带地区辐射平衡和纬度的关系比较小。衡和纬度的关系比较小。陆地和海洋上的潜热输陆地和海洋上的潜热
7、输送随纬度不同：送随纬度不同：陆地的最大潜热输送陆地的最大潜热输送在赤道附近；在副热带地在赤道附近；在副热带地区，潜热输送急剧减小，区，潜热输送急剧减小，但在海洋上，潜热输送出但在海洋上，潜热输送出现极大值。赤道附近海洋现极大值。赤道附近海洋上，潜热输送比副热带海上，潜热输送比副热带海洋上小。洋上小。（1 1）地表面热量平衡的纬圈年平均分布地表面热量平衡的纬圈年平均分布 洋面和较深层之间由于海洋面和较深层之间由于海流作用出现热量水平输送，流作用出现热量水平输送，2020o oS-10S-10o oN N附近的大洋上，有附近的大洋上，有热量储存；在中高纬度海洋热量储存；在中高纬度海洋上，有热量释
8、放。上，有热量释放。全球平均而言，海洋全球平均而言，海洋上的净辐射比陆地大上的净辐射比陆地大 80%80%，比全球平均值大，比全球平均值大15%15%；洋面的潜热输送是；洋面的潜热输送是陆面的陆面的3 3倍，而感热输送倍，而感热输送不及陆面的不及陆面的40%40%；从海陆表面的平均看，从海陆表面的平均看，地表和大气间的感热和地表和大气间的感热和潜热输送方向，潜热输送方向，在在7070o oN-60N-60o oS S间都是从地表间都是从地表面指向大气，即在能量面指向大气，即在能量的收入盈余和亏损中，的收入盈余和亏损中，地球绝大部分表面总是地球绝大部分表面总是通过感热和潜热形式向通过感热和潜热形
9、式向大气输送能量，而大气大气输送能量，而大气通过这种形式获得能量。通过这种形式获得能量。1 1（2 2）热量平衡的地理分布）热量平衡的地理分布干旱区，干旱区，潜热输送较小。潜热输送较小。在全球范围内在全球范围内，海洋上，海洋上潜热输送的变化很大潜热输送的变化很大，在赤道附近，由于云量增加和温度升高，潜热在赤道附近，由于云量增加和温度升高，潜热输送比热带海面略有减少。输送比热带海面略有减少。海洋上海洋上，潜热输送的带状分布被破坏的主要，潜热输送的带状分布被破坏的主要原因在于：原因在于：冷暖海流的分布冷暖海流的分布 引起的。海洋上引起的。海洋上辐射净收入除潜热输送外，同时也消耗于海流辐射净收入除潜
10、热输送外，同时也消耗于海流的水平输送，的水平输送，海洋上海洋上潜热输送年总量大小决定于秋、冬季节；潜热输送年总量大小决定于秋、冬季节；陆地上陆地上冷季的潜热输送小于暖季。冷季的潜热输送小于暖季。（3 3）地表面与大气间的潜热输送）地表面与大气间的潜热输送潜热年总量输送：潜热年总量输送：大陆表面大陆表面潜热年总量输送潜热年总量输送占陆地辐射平衡的占陆地辐射平衡的54%54%；洋面洋面潜热年总量输送潜热年总量输送占洋面辐射平衡的占洋面辐射平衡的90%90%，洋面上洋面上潜热年总量输送潜热年总量输送比陆面大比陆面大3 3倍。倍。全球表面年平均潜热输送占辐射平衡的全球表面年平均潜热输送占辐射平衡的84
11、%84%，因此，地因此，地-气系统间的能量交换气系统间的能量交换主要是通过主要是通过来完成的来完成的。（表表3.11 地气系统、大气层和地表面能量收支地气系统、大气层和地表面能量收支太阳常数行星发照率30%全球地表反照率30%地表温度288k大气温度250K表表3.12 模式中各能量收支的比较模式中各能量收支的比较 到达大气上界的太阳辐射100，其中，空气反射6，地表反射4，云反射20，空气吸收16，云吸收3，地表吸收51。地表向上的长波辐射114，其中宇宙空间红外6，大气吸收108。大气向外长波157，其中宇宙空间64，地表93，大气因吸收和放射长波亏损30=108+19-157.大气因吸收
12、和放射长波亏损30，由地表面向上输送的感热和潜热来平衡。辐射源：赤道附近年平均净辐射过剩；辐射源：赤道附近年平均净辐射过剩；吸收辐射赤道大，两极小；吸收辐射赤道大，两极小；长波射出辐射随纬度变化小；长波射出辐射随纬度变化小；辐射汇：中纬度地区、两极地区净辐射不足。辐射汇：中纬度地区、两极地区净辐射不足。中纬度地区能量输送中纬度地区能量输送最大，为了与这种能量最大，为了与这种能量输送相适应，就要求在输送相适应，就要求在中纬度地区大气达到最中纬度地区大气达到最大。大。中纬度地区平均看，中纬度地区平均看，风速最大，风暴最多，风速最大，风暴最多，是地球上气候最活跃的是地球上气候最活跃的地区。地区。大气
13、中暖气团由低纬度向高纬度的大气感热输送是能量输送中最大分量；大气中暖气团由低纬度向高纬度的大气感热输送是能量输送中最大分量；副热带海洋地区向赤道和极地都有潜热输送，和副热带海洋地区向赤道和极地都有潜热输送，和 感热比，潜热经向输送量小；感热比，潜热经向输送量小；2020o o-30-30o o副热带海洋感热净通量大；副热带海洋感热净通量大；在全球辐射收支的经向调整中，大气的感热输送占总能量输送的一半，在全球辐射收支的经向调整中，大气的感热输送占总能量输送的一半，大气的极向输送占重要作用。大气的极向输送占重要作用。大气感热输送大气感热输送总能量净输送总能量净输送海洋感热输送海洋感热输送潜热输送潜
14、热输送3.6 指某一高度大气太阳辐射加热率和长波辐射冷却率的代数和。指某一高度大气太阳辐射加热率和长波辐射冷却率的代数和。长波辐射 对流层的冷却主要是水汽的作对流层的冷却主要是水汽的作用冷却率可达用冷却率可达2 2 d d-1-1；在在18-27km 18-27km 之间由于臭氧的之间由于臭氧的作用大气略有增温。在作用大气略有增温。在3030以以上，由于上，由于CO2CO2的放射作用，冷的放射作用，冷却率随高度急剧增大，朝向宇宙却率随高度急剧增大，朝向宇宙空间的冷却也变得有效。空间的冷却也变得有效。强，在冬半年的高纬地区上空，强，在冬半年的高纬地区上空，CO2CO2的冷却作用明显。在的冷却作用
15、明显。在2-62-6高度高度处，由于水汽对太阳那个辐射的强处，由于水汽对太阳那个辐射的强烈吸收作用，存在一个冷却率很小烈吸收作用，存在一个冷却率很小甚至接近于甚至接近于0 0的间隔层。的间隔层。3.7 3.7 大气吸收地面向上的长波辐射的主要气体是水汽大气吸收地面向上的长波辐射的主要气体是水汽和和CO2等，它们既是吸收体，又是辐射体；等，它们既是吸收体，又是辐射体；水汽的吸收带较宽，水汽的吸收带较宽，但大气中水汽含量的增加但大气中水汽含量的增加并不能明显的增强对长波辐射的吸收，（并不能明显的增强对长波辐射的吸收，（水汽水汽-温室效应温室效应-地面温度的负反馈作用）负反馈作用使地面温度的负反馈作
16、用）负反馈作用使地球气候趋于稳定。地球气候趋于稳定。CO2 在水汽吸收的窗口具有若干较强的吸收带，在水汽吸收的窗口具有若干较强的吸收带，其增加对空气的辐射加热作用大（其增加对空气的辐射加热作用大（CO2 温室效温室效应应-地面温度的正反馈）。地面温度的正反馈）。作业思考题掌握地表、大气和地气系统的能量平衡方程及其表达的物理意义？掌握地表、大气和地气系统的能量平衡方程及其表达的物理意义？掌握地表、大气和地气系统的热量平衡方程及其表达的物理意义？掌握地表、大气和地气系统的热量平衡方程及其表达的物理意义？地表和大气年平均辐射平衡的基本特征？为什么？地表和大气年平均辐射平衡的基本特征？为什么？地地-气
17、系统辐射平衡年平均纬度分布特征？气系统辐射平衡年平均纬度分布特征？辐射源、过渡区、辐辐射源、过渡区、辐射汇？射汇？全球陆地和海洋与大气的感热输送、潜热输送、水平输送的基本全球陆地和海洋与大气的感热输送、潜热输送、水平输送的基本特征？有何不同？特征？有何不同？理解地球理解地球-大气系统的能量平衡模式的三个组成部分之间的能量大气系统的能量平衡模式的三个组成部分之间的能量转换？转换？掌握能量的经向调整的输送过程中，掌握能量的经向调整的输送过程中，海洋和大气的作用？海洋和大气的作用？辐射加热和辐射冷却？在不同高度的大气中大气成分在其中的作辐射加热和辐射冷却？在不同高度的大气中大气成分在其中的作用？用？行星地球有效温度或辐射平衡温度、地表温度、大气温度行星地球有效温度或辐射平衡温度、地表温度、大气温度 的求的求算物理过程和表达式。算物理过程和表达式。
